针对能量收集型无线远程传感器网络的实用电源管理设计考虑

输出端上产生一个输出电压 (见图 2)。为了进一步说明我们的例子，假设选择了一个 50mm2 TEG。TEG 的一端将安装至天花板中的 HVAC 管道，另一端则暴露在室温空气中。由于 TEG 的热阻非常低，要在其两端上产生一个合适的温差 (ΔT) 常常颇具挑战性，因此在室温侧将采用一个散热器。我们的测量结果表明：在平均室温为 25oC 的情况下，冬季 (供暖) 中 HVAC 管道表面的平均温度为 38oC，而夏季 (致冷) 中则为 12oC。经过仔细的测量，我们确定：当把 TEG 和一个散热器安装至 HVAC 管道时，TEG 两端的 ΔT 大约为 ±10oC。从制造商提供的产品手册我们可以发现：10oC ΔT 时的 TEG VOUT 为 180mV。TEG 输出电阻 (ROUT) 为 2.5Ω。当 TEG ROUT = 功率转换器 (或负载) RIN 时，可输送至负载的功率达到最大。

图 2：典型 TEG

　　如果我们假设电源管理电路具有一个接近2.5Ω的RIN，则可提供至功率转换器输入端的最大功率为180mV2/(2.5Ωx4)=3.24mW。我们的功率转换器常数(K)为0.4，因此可输送至远程传感器3.3V输出的总功率为3.24mWx0.4=1.3mW。由于1.3mW明显高于此前计算得出的818μW平均功率 Pa，我们似乎拥有了运作所需的足够功率。

图 3：测量和发送周期中的典型电流脉冲

图 4：测量和发送周期中的 VOUT 纹波

　　我们面临的下一个棘手难题是用于把 TEG 的非常低输出电压转换至所需的 3.3V 电压的电源管理电路。此外还有一个难点是输入电压可以是 +180mV 或 -180mV (取决于管道表面是热还是冷)。虽然可通过开发分立电路来解决这一难题，不过，因为电路设计对于杂散电容极为敏感，而且整个电路必需为微功率以具备适用性，故这种做法所耗费的时间和精力到最后常常并不值得。幸运的是，现在已经有了一款集成化解决方案。图 5 示出了一种采用LTC3109的示例电路。LTC3109可在低至±30mV的输入电压条件下运作，并将产生4种预编程输出电压 (VOUT) 中的任一种：(2.35V、3.3V、4.1V 或 5V)。该器件提供了一个可开关的 VOUT，用于在需要时为我们的传感器供电。LTC3109 还包括一个电源管理器，可用于储存和利用剩余的收集能量。由于我们的典型负载功率低于可用能量，因此可以将任何剩余的能量存储于 CSTORE 以供日后使用。

图 5：LTC3109 电源管理电路

　　图 3 和图 4 示出了 LTC3109 在一个测量/发送周期之前、之中和之后的 3.3V 输出。VOUT 上电容器的大小根据一个测量/发送周期可接受的电压降来确定。在我们所举的例子中，我们确定 3.3V 输出端上的可接受电压降为 300mV。采用先前获得的数值，我们可以计算出所需的 COUT：

　　COUT = (ILOAD - IAVG) x dT/dV

　　= [(37.5mA x 30ms + 500uA x 2ms + 3mA x 5ms) - (1.3mW/3.3V)] / 0.3V

　　= 2.49mF，选择一个标称值为 2200μF 的电容器。

　　式中：

　　ILOAD = 3.3V 输出端上所有负载之和

　　IAVG = LTC3109 的平均输出电流

　　dT = 负载脉冲的持续时间

　　dV = 可接受的电压降

　　图 5 中的实际电压降远远低于 300mV。这是由于一个针对简单测量系统的较低电流发送脉冲持续时间所致。

　　图 6 示出了能量收集换能器输入暂时中断期间的 3.3V 输出。在该场合中，LTC3109 从存储电容器CSTORE获取工作电源。对于CSTORE的数值没有限制，因此其大小可针对任何期望的系统保持时间来确定。

图 6：输入电源中断期间的运作

　　以上概要描述的基本设计程序适用于其他类型的能量收集换能器。目前，与压电元件(高电压AC)、电磁(线圈/磁铁)和光伏(太阳能电池)相连的电源管理电路很容易获得。在所有的场合中，首先都必需确定所需的平均负载功率，以了解自主型操作是否可行。